JP5982255B2 - Gradient magnetic field power supply device and gradient magnetic field power supply control program - Google Patents

Gradient magnetic field power supply device and gradient magnetic field power supply control program Download PDF

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Description

本発明は、MRI(magnetic resonance imaging)装置に適用される傾斜磁場電源装置に関する。   The present invention relates to a gradient magnetic field power supply device applied to an MRI (magnetic resonance imaging) apparatus.

MRI装置に適用される傾斜磁場電源装置においては、傾斜磁場を生成する傾斜磁場コイルに、高電圧を印加することで傾斜磁場の変化応答性の改善を図っている。   In the gradient magnetic field power supply device applied to the MRI apparatus, the gradient magnetic field coil that generates the gradient magnetic field is applied with a high voltage to improve the change response of the gradient magnetic field.

この傾斜磁場コイルに高電圧を印加する手段として、高耐圧部品を用いた回路構成や、インバータ段数の積み上げによる高電圧化構成が適用される。 As means for applying a high voltage to the gradient magnetic field coil, a circuit configuration using high-voltage components or a high voltage configuration by increasing the number of inverter stages is applied.

高耐圧部品を使用する回路構成は、構成部品が高価となることから経済性の面で不利となる場合がある。   A circuit configuration using high-voltage components may be disadvantageous in terms of economy because the components are expensive.

一方、インバータ段数の積み上げによる高電圧化構成は、インバータ段数に伴いスイッチング素子数も増加し、動作するスイッチング素子数に比例してスイッチング損失も増加する為、求められる出力電圧が動的に変化するような運用では、装置の運転状況は常に最大負荷(最高性能)では無いため、要求される応答性に対し装置の性能が過剰となる運転状況もあり、そのとき余剰となるインバータ回路もスイッチング動作により損失を発生する為、出力に寄与しないスイッチング損失が電力効率低下の原因となっていた。 On the other hand, in the high voltage configuration by accumulating the number of inverter stages, the number of switching elements increases with the number of inverter stages, and the switching loss also increases in proportion to the number of operating switching elements, so the required output voltage changes dynamically. In such an operation, since the operation status of the device is not always the maximum load (maximum performance), there is an operation status where the performance of the device is excessive with respect to the required responsiveness, and the inverter circuit that becomes redundant at that time also performs switching operation Therefore, a switching loss that does not contribute to the output causes a reduction in power efficiency.

電力増幅回路を多段に構成した従来技術としては、増幅される変調信号の出力電力に従い、増幅段数を切り替える高周波電力装置(引用文献1参照)、第1および第2の増幅器のうち、低電力モードのとき、第2の増幅器をオフ状態にバイアス制御して、第1の増幅器のみを動作させる線形電力増幅器(引用文献2参照)、などが存在した。   As a prior art in which a power amplifier circuit is configured in multiple stages, a high-frequency power device that switches the number of amplification stages according to the output power of a modulated signal to be amplified (see cited document 1), a low power mode among the first and second amplifiers At that time, there was a linear power amplifier (see the cited document 2) that operates only the first amplifier by bias-controlling the second amplifier to the OFF state.

特開2011−120142号公報JP 2011-120142 A 特表2006−500883号公報Special table 2006-50083 gazette

本発明が解決しようとする課題は、インバータ段数の積み上げによる傾斜磁場電源構成においてスイッチング損失の低減を図った傾斜磁場電源装置を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to provide a gradient magnetic field power supply device in which a switching loss is reduced in a gradient magnetic field power supply configuration by increasing the number of inverter stages.

実施形態の傾斜磁場電源装置は、傾斜磁場コイルに供給する電圧を出力する多段に構成されたインバータブロックを有するインバータ部と、前記インバータ部を制御して傾斜磁場コイルに供給する傾斜磁場電源を制御する制御部とを具備し、前記インバータ部は、前記電圧を出力する電源出力端間において、前記多段に構成されたインバータブロックから一定の順序で所定のブロックを切り離し可能に切替接続するスイッチ手段を具備し、前記制御部は、目標とする傾斜磁場コイル電流波形の傾きをもとに単位時間あたりの傾きの増減判定を行い、当該増減判定に従い前記スイッチ手段を制御してインバータ段数の切替接続を実施し、切り離したインバータブロックへのスイッチング制御信号の供給を停止する処理手段を具備したことを特徴とする。   The gradient magnetic field power supply device of the embodiment controls an inverter unit having a multi-stage inverter block that outputs a voltage supplied to the gradient magnetic field coil, and a gradient magnetic field power source supplied to the gradient coil by controlling the inverter unit And a switching means for switchingly connecting a predetermined block in a fixed order from the multi-stage inverter block between the power supply output terminals for outputting the voltage. And the controller determines whether to increase / decrease the gradient per unit time based on the gradient of the target gradient coil current waveform, and controls the switch means according to the increase / decrease determination to switch the number of inverter stages. And a processing means for stopping the supply of the switching control signal to the separated inverter block. To.

本発明の実施形態に係る傾斜磁場電源装置を適用可能なMRI装置の構成を示す概要図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Schematic which shows the structure of the MRI apparatus which can apply the gradient magnetic field power supply device which concerns on embodiment of this invention. 上記傾斜磁場電源装置の構成例を示すブロック図。The block diagram which shows the structural example of the said gradient magnetic field power supply device. 上記傾斜磁場電源装置の回路構成例を示す回路図。The circuit diagram which shows the circuit structural example of the said gradient magnetic field power supply device. 上記傾斜磁場電源装置の制御処理手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the control processing procedure of the said gradient magnetic field power supply device. 上記傾斜磁場電源装置の傾斜磁場電流波形の制御例を説明するための動作説明図。Operation | movement explanatory drawing for demonstrating the control example of the gradient magnetic field current waveform of the said gradient magnetic field power supply device. 上記傾斜磁場電源装置の傾斜磁場電流波形の制御例を示すタイミングチャート。The timing chart which shows the example of control of the gradient magnetic field current waveform of the said gradient magnetic field power supply device.

傾斜磁場電源装置の仕様における特徴の一つである応答性は、傾斜磁場コイルに印加する電圧に依存するため、如何により高い電圧を傾斜磁場コイルに印加できるかが応答性向上のための課題となる。応答性の高い仕様の設計においては、傾斜磁場コイルに高電圧を印加できる構成とするが、具体的実現手法としては、上述したように、高耐圧の素子を多用する手法の他にも、インバータ段数を増やすことで電圧を積み上げ、高電圧とする手法も可能である。この何れの実現手法においても、高応答性が要求されない仕様においては装置のコスト上昇を招く要因になり、現状ではシステムまたは装置個々に、要求される性能に応じた個別設計を行っている。インバータ段数を増やす実現手法を採用した場合、高応答性を求めた装置構成では、高電圧印加に必要なインバータ段数が増加するため、必然的にインバータ回路素子によるスイッチング損失が増加し、運転状況によっては電力効率を低下させる要因となる。   The responsiveness that is one of the characteristics in the specifications of the gradient magnetic field power supply device depends on the voltage applied to the gradient magnetic field coil. Therefore, how to apply a higher voltage to the gradient magnetic field coil is an issue for improving the responsiveness. Become. In the design of specifications with high responsiveness, a configuration is adopted in which a high voltage can be applied to the gradient magnetic field coil, but as a specific realization method, as described above, in addition to a method using many high-voltage elements, an inverter It is also possible to increase the number of stages to increase the voltage and increase the voltage. In any of these implementation methods, a specification that does not require high responsiveness causes an increase in the cost of the device, and at present, an individual system or device is individually designed according to the required performance. When adopting an implementation method that increases the number of inverter stages, the number of inverter stages required for high voltage application increases in a device configuration that requires high responsiveness, which inevitably increases the switching loss due to inverter circuit elements, and depends on the operating conditions. Is a factor that reduces power efficiency.

この実施形態では、回路レベルでの仕様特化依存部が比較的限定されるインバータ段数を増やす実現手法を採用し、装置レベルに応じてインバータ段数を変更する回路構成とすることで、個別設計負担の軽減を図るとともに、装置コスト並びにメンテナンス負担の軽減を図り、高効率な運転を可能にする。この機能を実現するため、インバータブロックを積み上げたインバータ部を制御する制御部において、インバータ部のインバータ段数を装置の運転状況応じて動的に増減し、インバータ段数に余剰分が生じるときは、余剰分として積み上げから外されたインバータ段(インバータブロック)のスイッチング動作を停止させる。このように、装置運用段階で、運転状況(最大/定常等)に応じインバータブロックの段数を動的に制御し、運転状況に応じ動的にインバータ段数のスイッチングを停止させることで、応答性と高効率運転を両立することが可能となる。必要とされるインバータ段数は、制御対象の負荷や、求められる運転条件により都度異なるが、インバータ段数積み上げ方式の採用により、装置の基本構造を変えることなく、インバータ段数の増減で目的の仕様に合わせることが可能となる。また、運転状況に応じ動的にインバータ段数のスイッチングを停止させることで、運転状況(要求性能)の変化に追従して、出力に寄与しない余剰となるインバータ段数が生じる状況が生じる時は、当該インバータブロックにおけるスイッチング損失を低減することができる。   In this embodiment, by adopting an implementation method that increases the number of inverter stages in which the specification-specific dependency part at the circuit level is relatively limited and adopting a circuit configuration that changes the number of inverter stages according to the device level, the individual design burden The system cost and maintenance burden are reduced, and highly efficient operation is possible. In order to realize this function, in the control unit that controls the inverter unit in which inverter blocks are stacked, the number of inverter stages in the inverter unit is dynamically increased or decreased according to the operation status of the device. As a result, the switching operation of the inverter stage (inverter block) removed from the stack is stopped. As described above, in the apparatus operation stage, the number of stages of the inverter block is dynamically controlled according to the operation state (maximum / steady state, etc.), and the switching of the inverter stage number is dynamically stopped according to the operation state, thereby improving the responsiveness. It is possible to achieve both high efficiency operation. The required number of inverter stages varies depending on the load to be controlled and the required operating conditions, but by adopting the inverter stage stacking method, the number of inverter stages can be increased or decreased to meet the target specifications without changing the basic structure of the equipment. It becomes possible. In addition, when switching of the inverter stage number is dynamically stopped according to the operation situation, a situation occurs in which an extra inverter stage number that does not contribute to output occurs following the change in the operation situation (required performance) Switching loss in the inverter block can be reduced.

以下図面を参照して本発明の実施形態を説明する。この実施形態では、図において、傾斜磁場電源装置を「G−AMP」と表記し、傾斜磁場コイルを「Gコイル」と表記している。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In this embodiment, the gradient magnetic field power supply device is represented as “G-AMP” and the gradient coil is represented as “G coil” in the drawing.

本実施形態に係る傾斜磁場電源装置(G−AMP)を適用可能なMRI装置の概略的な構成を図1に示し、同傾斜磁場電源装置の構成例を図2に示し、同傾斜磁場電源装置の基本回路構成例を図3示す。   FIG. 1 shows a schematic configuration of an MRI apparatus to which the gradient magnetic field power supply device (G-AMP) according to this embodiment can be applied, and FIG. 2 shows a configuration example of the gradient magnetic field power supply device. FIG. 3 shows a basic circuit configuration example.

MRI装置は、図1に示すように、傾斜磁場電源装置(G−AMP)1と、ラジオ波送信部2と、ラジオ波受信部3と、ホスト機器4と、ホスト機器4の制御対象となるコイル(L)とを具備して構成される。コイル(L)は、この実施形態で制御の対象としている傾斜磁場コイル(Gコイル;La)と、RFコイル(Lb)と、静磁場コイル(Lc)とを具備して構成される。   As shown in FIG. 1, the MRI apparatus is a control target of a gradient magnetic field power supply (G-AMP) 1, a radio wave transmission unit 2, a radio wave reception unit 3, a host device 4, and a host device 4. A coil (L). The coil (L) includes a gradient magnetic field coil (G coil; La), an RF coil (Lb), and a static magnetic field coil (Lc) to be controlled in this embodiment.

ホスト機器4は、傾斜磁場電源装置(G−AMP)1に対して、所望の傾斜磁場を得るための目標値を設定する。傾斜磁場電源装置(G−AMP)1は、ホスト機器4により設定された目標値をもとに、例えば図5、図6に示すような電流波形を発生させる電圧を生成し、傾斜磁場コイル(La)に供給する。なお、ここでは、静磁場コイル(Lc)への電源供給、並びにラジオ波(RF)の送受信動作(ラジオ波送信部2およびラジオ波受信部3の動作)について、その説明を省略する。   The host device 4 sets a target value for obtaining a desired gradient magnetic field for the gradient magnetic field power supply device (G-AMP) 1. The gradient magnetic field power supply device (G-AMP) 1 generates, for example, a voltage for generating a current waveform as shown in FIGS. 5 and 6 based on the target value set by the host device 4, and the gradient magnetic field coil ( To La). Here, description of power supply to the static magnetic field coil (Lc) and radio wave (RF) transmission / reception operations (operations of the radio wave transmission unit 2 and the radio wave reception unit 3) are omitted.

本発明の実施形態に係る傾斜磁場電源装置(G−AMP)1は、図2に示すように、多段(n段)に構成されたインバータブロック12a,12b,…,12nを有するインバータ部11と、上位のホスト機器4から与えられた目標値(IP)と傾斜磁場コイル(La)における傾斜磁場電源電流のフィードバック値(IF)とをもとにインバータ部11のインバータブロック12a,12b,…,12nを制御する制御部10とを具備して構成される。   As shown in FIG. 2, a gradient magnetic field power supply device (G-AMP) 1 according to an embodiment of the present invention includes an inverter unit 11 having inverter blocks 12a, 12b,..., 12n configured in multiple stages (n stages). The inverter blocks 12a, 12b,... Of the inverter unit 11 based on the target value (IP) given from the host device 4 and the feedback value (IF) of the gradient magnetic field power supply current in the gradient coil (La). And a control unit 10 for controlling 12n.

インバータ部11は、多段に積まれたインバータブロックのうち、最上段となる第1段目のインバータブロック12aにP(positive)側のインバータ出力端(DT−P)を有し、最下段となる第n段目のインバータブロック12nにN(negative)側のインバータ出力端(DT−N)を有して、当該インバータ出力端(DT−P,DT−N)から出力される電圧を傾斜磁場コイル(La)に供給する。さらにインバータ部11は、上記インバータ出力端(DT−P,DT−N)間において、上記多段に構成されたインバータブロックを段毎に一定の順序で切り離し可能に切替接続するスイッチ手段13,13,…を具備する。   The inverter unit 11 has an inverter output terminal (DT-P) on the P (positive) side in the first-stage inverter block 12a which is the uppermost stage among the inverter blocks stacked in multiple stages, and is the lowermost stage. The n-th inverter block 12n has an N (negative) inverter output terminal (DT-N), and the voltage output from the inverter output terminal (DT-P, DT-N) is applied to the gradient magnetic field coil. (La). Further, the inverter unit 11 switches between the inverter output terminals (DT-P, DT-N) and switches 13, 13, 13 for switching and connecting the multi-stage inverter blocks so as to be detachable in a certain order for each stage. ....

制御部10は、目標とする傾斜磁場コイル電流波形の傾きをもとに単位時間あたりの傾きの増減判定を行い、当該増減判定に従いインバータブロック制御信号(BC)を生成し、当該制御信号により上記スイッチ手段13,13,…をオン/オフ制御してインバータ段数の切替接続(積まれたインバータブロックの接続/切離)を実施し、切り離したインバータブロックへのスイッチング制御信号(GC)の供給を停止する処理手段を具備する。この処理手段の処理手順については図4を参照して後述する。   The control unit 10 performs increase / decrease determination of the gradient per unit time based on the gradient of the target gradient magnetic field coil current waveform, generates an inverter block control signal (BC) according to the increase / decrease determination, and generates the inverter block control signal (BC) according to the control signal. The switching means 13, 13... Are turned on / off to perform switching connection of the number of inverter stages (connection / disconnection of stacked inverter blocks), and supply of a switching control signal (GC) to the disconnected inverter block. Processing means for stopping is provided. The processing procedure of this processing means will be described later with reference to FIG.

上記実施形態における傾斜磁場電源装置(G−AMP)1の回路構成を図3に示す。ここでは説明を簡素にするため、インバータブロックを3段積んだ(n=3とした)インバータ部の構成を例示している。ここでは多段(3段)に積まれたインバータブロックのうち、最上段となる第1段目のインバータブロック12aにP側のインバータ出力端(DT−P)を有し、最下段となる第3段目のインバータブロック12cにN側のインバータ出力端(DT−N)を有して、インバータブロック毎(段毎)にそれぞれ個別に動作用直流電源(PS(+),PS(−))が供給され印加される。   FIG. 3 shows a circuit configuration of the gradient magnetic field power supply device (G-AMP) 1 in the embodiment. Here, in order to simplify the description, a configuration of an inverter unit in which three stages of inverter blocks are stacked (n = 3) is illustrated. Here, among the inverter blocks stacked in multiple stages (three stages), the first-stage inverter block 12a, which is the uppermost stage, has a P-side inverter output terminal (DT-P), and the third stage that is the lowermost stage. The inverter block 12c at the stage has an inverter output terminal (DT-N) on the N side, and the operating DC power supplies (PS (+), PS (-)) are individually provided for each inverter block (for each stage). Supplied and applied.

上記インバータブロックを3段積んだインバータ構成において、最上段となる第1段目のインバータブロック12aと最下段となる第3段目のインバータブロック12cとの各段間に、縦列接続されたスイッチ手段13(1),13(2)が設けられる。ここではスイッチ手段13(1)が第1段目のインバータブロック12aと第2段目のインバータブロック12bとのN側出力端間に接続され、スイッチ手段13(2)が第2段目のインバータブロック12bと第3段目のインバータブロック12cとのN側出力端間に接続され、スイッチ手段13(1)のコモン端子(COM)がスイッチ手段13(2)のOFF側切替接点に接続され、スイッチ手段13(2)のコモン端子(COM)がN側インバータ出力端(DT−N)となる接続構成としている。   In the inverter configuration in which the inverter blocks are stacked in three stages, switch means connected in cascade between each stage of the first-stage inverter block 12a as the uppermost stage and the third-stage inverter block 12c as the lowermost stage. 13 (1) and 13 (2) are provided. Here, the switch means 13 (1) is connected between the N-side output terminals of the first stage inverter block 12a and the second stage inverter block 12b, and the switch means 13 (2) is the second stage inverter. Connected between the N side output terminals of the block 12b and the third stage inverter block 12c, the common terminal (COM) of the switch means 13 (1) is connected to the OFF side switching contact of the switch means 13 (2), The common terminal (COM) of the switch means 13 (2) is connected to the N-side inverter output terminal (DT-N).

スイッチ手段13(1)は、制御部10から出力されるインバータブロック制御信号(BC−1)によりオン/オフ制御され、スイッチオン状態にあるとき、最上段となる第1段目のインバータブロック12aと第2段目(中段)となるインバータブロック12bが接続し、スイッチオフ状態にあるとき、第2段目のインバータブロック12bに短絡路を形成して、インバータブロック12bを積まれた段から切り離し、インバータブロック12bをインバータ部11に積まれた電力増幅段から外す。この切り離しタイミングに同期して、制御部10は、切り離したインバータブロック12bへのスイッチング制御信号(GC:GC−A2a,GC−A2b,GC−B2a,GC−B2b)の供給を停止する。   The switch means 13 (1) is ON / OFF controlled by the inverter block control signal (BC-1) output from the control unit 10, and when in the switch ON state, the first stage inverter block 12a which is the uppermost stage. When the inverter block 12b which is the second stage (middle stage) is connected and is in the switch-off state, a short circuit is formed in the second stage inverter block 12b, and the inverter block 12b is separated from the stacked stage. The inverter block 12b is removed from the power amplification stage loaded in the inverter unit 11. In synchronization with this disconnection timing, the control unit 10 stops supplying the switching control signals (GC: GC-A2a, GC-A2b, GC-B2a, GC-B2b) to the disconnected inverter block 12b.

スイッチ手段13(2)は、制御部10から出力されるインバータブロック制御信号(BC−2)によりオン/オフ制御され、スイッチオン状態にあるとき、中段となる第2段目のインバータブロック12bに最下段となる第3段目のインバータブロック12cを積み、スイッチオフ状態にあるとき、第3段目のインバータブロック12cに短絡路を形成して、インバータブロック12cを積まれた段から切り離し、インバータブロック12cをインバータ部11に積まれた電力増幅段から外す。この切り離しタイミングに同期して、制御部10は、切り離したインバータブロック12cへのスイッチング制御信号(GC:GC−A3a,GC−A3b,GC−B3a,GC−B3b)の供給を停止する。   The switch means 13 (2) is ON / OFF controlled by the inverter block control signal (BC-2) output from the control unit 10, and when in the switch ON state, the switch means 13 (2) is connected to the second stage inverter block 12b which is the middle stage. When the third-stage inverter block 12c, which is the lowest stage, is stacked and in the switch-off state, a short circuit is formed in the third-stage inverter block 12c, and the inverter block 12c is disconnected from the stacked stage, The block 12c is removed from the power amplification stage stacked in the inverter unit 11. In synchronization with this disconnection timing, the control unit 10 stops supplying the switching control signals (GC: GC-A3a, GC-A3b, GC-B3a, GC-B3b) to the disconnected inverter block 12c.

従って、スイッチ手段13(1)とスイッチ手段13(2)がともにスイッチオン状態にあるときは、インバータ部11に3段すべてのインバータブロック12a,12b,12cが積まれて、インバータ出力端(DT−P,DT−N)から3段分の積み上げによる高い電圧が出力される。   Accordingly, when both the switch means 13 (1) and the switch means 13 (2) are in the switch-on state, all three stages of inverter blocks 12a, 12b, 12c are stacked on the inverter unit 11, and the inverter output terminal (DT -P, DT-N) outputs a high voltage by stacking three stages.

スイッチ手段13(1),13(2)のうち、スイッチ手段13(1)のみがスイッチオン状態にあるときは、最下段となる第3段目のインバータブロック12cが、積まれた段から切り離されて、インバータ出力端(DT−P,DT−N)から2段分の積み上げによる電圧が出力される。   When only the switch means 13 (1) is in the switch-on state among the switch means 13 (1) and 13 (2), the third-stage inverter block 12c, which is the lowest stage, is disconnected from the stacked stage. Thus, a voltage obtained by stacking two stages is output from the inverter output terminal (DT-P, DT-N).

スイッチ手段13(1),13(2)がともにスイッチオフ状態にあるときは、インバータブロック12b,12cがともに、積まれた段から切り離されて、インバータ出力端(DT−P,DT−N)から1段分のみの低い電圧が出力される。これらの各段数接続において、インバータ出力端(DT−P,DT−N)間には、傾斜磁場コイル(La)を介してP側からN側への電流路と、その逆方向の電力路が交互に形成される。   When both the switch means 13 (1) and 13 (2) are in the switch-off state, the inverter blocks 12b and 12c are both disconnected from the stacked stage, and the inverter output terminals (DT-P, DT-N) A low voltage for only one stage is output. In each stage number connection, between the inverter output terminals (DT-P, DT-N), there is a current path from the P side to the N side via the gradient magnetic field coil (La) and a power path in the opposite direction. It is formed alternately.

上記した傾斜磁場電源装置(G−AMP)1の制御部10における制御処理手順を図4に示し、同装置の傾斜磁場電流波形の制御例を図5および図6に示す。   FIG. 4 shows a control processing procedure in the control unit 10 of the above-described gradient magnetic field power supply device (G-AMP) 1, and FIGS. 5 and 6 show control examples of the gradient magnetic field current waveform of the device.

制御部10は、図4に示す処理手順に従い、ホスト機器4から与えられた目標値に従い、目標とする傾斜磁場コイル電流波形の傾きをもとに単位時間あたりの傾きの増減判定を行い、当該増減判定に従い、上記スイッチ手段13を制御してインバータ段数の切替接続を実施し、切り離したインバータブロックへのスイッチング制御信号の供給を停止する処理を実施する。この処理動作を図5および図6を参照して説明する。   The control unit 10 performs the increase / decrease determination of the gradient per unit time based on the gradient of the target gradient magnetic field coil current waveform according to the target value given from the host device 4 according to the processing procedure shown in FIG. In accordance with the increase / decrease determination, the switching means 13 is controlled to perform switching connection of the number of inverter stages, and processing for stopping the supply of the switching control signal to the disconnected inverter block is performed. This processing operation will be described with reference to FIGS.

ホスト機器4から傾斜磁場電源装置(G−AMP)1に対して、MRIシステムが所望する傾斜磁場を得るための目標値が通知される。この目標値の形式はシステムにより多様であるが、ここでは傾斜磁場コイル電流波形が目標値として伝えられるケースを例に説明する。   A target value for obtaining a gradient magnetic field desired by the MRI system is notified from the host device 4 to the gradient magnetic field power supply device (G-AMP) 1. The format of the target value varies depending on the system. Here, a case where the gradient coil current waveform is transmitted as the target value will be described as an example.

制御部10は、傾斜磁場電源に係る運転状況を監視し、インバータ段数に余剰分が生じるときは、動的に当該インバータ回路のスイッチングを停止することで、その時々の運転状況(要求性能)の変化に追従し、スイッチング損失を低減する制御処理機能を実現している。   The control unit 10 monitors the operation state related to the gradient magnetic field power supply, and when a surplus occurs in the number of inverter stages, the control unit 10 dynamically stops the switching of the inverter circuit, so that the operation state (required performance) at that time is changed. It implements a control processing function that tracks changes and reduces switching loss.

制御部10は、上記目標値を受け付けると(ステップS11)、受け付けた目標値の傾き(di/dt)を、単位サンプリング前の目標値と、現時点の目標値の差分情報等から算出する(ステップS12)。この算出例を図5(a)に示している。   When the control unit 10 receives the target value (step S11), the control unit 10 calculates the gradient (di / dt) of the received target value from the difference information between the target value before unit sampling and the current target value (step S11). S12). An example of this calculation is shown in FIG.

ここで算出した目標値の傾き(di/dt)の大きさと向きから、傾斜磁場コイル(La)への印加電圧を判定する(ステップS12,S13)。この判定は、目標値の傾き(di/dt)の大きさが予め設定された閾値の範囲内であるか否かを判定し、目標値の傾き(di/dt)の大きさが閾値を超えているとき、その傾きが増加方向であるか、減少方向であるかを判定する。ここで、傾きの大きさが閾値を超えた増加方向であるときは、傾き増加の判定をしてインバータ段数増加の処理を行い、傾きの大きさが閾値を超えた減少方向であるときは、傾き減少の判定をしてインバータ段数減少の処理を行い、傾きの大きさが閾値の範囲内であるときは、インバータ段数の増加やインバータ段数減少の処理は行わない。この判定例を図5(b)に示している。   From the magnitude and direction of the gradient (di / dt) of the target value calculated here, the applied voltage to the gradient magnetic field coil (La) is determined (steps S12 and S13). In this determination, it is determined whether or not the magnitude of the target value inclination (di / dt) is within a preset threshold value range, and the magnitude of the target value inclination (di / dt) exceeds the threshold value. When it is, it is determined whether the inclination is an increasing direction or a decreasing direction. Here, when the magnitude of the slope is in the increasing direction exceeding the threshold, the increase in the number of inverter stages is determined by determining the slope increase, and when the magnitude of the slope is in the decreasing direction exceeding the threshold, If the inclination reduction is determined and the inverter stage number is reduced, and the magnitude of the slope is within the threshold range, the inverter stage number is not increased or the inverter stage number is not reduced. An example of this determination is shown in FIG.

制御部10は、上記傾斜磁場コイル(La)への印加電圧の判定(ステップS13)において、傾き増加の判定をすると、インバータ段数増加の処理を行い、図6(b)および同図(c)に示すように、インバータブロック制御信号(BC−1)およびインバータブロック制御信号(BC−2)をそれぞれスイッチオンレベルにして、スイッチ手段13(1)およびスイッチ手段13(2)をそれぞれスイッチオンにし、さらにこのスイッチオンタイミングに同期して、図6(d)〜(f)に示すように、インバータブロック12aへのスイッチング制御信号(GC:GC−A1a,GC−A1b,GC−B1a,GC−B1b)と、インバータブロック12bへのスイッチング制御信号(GC:GC−A2a,GC−A2b,GC−B2a,GC−B2b)と、インバータブロック12cへのスイッチング制御信号(GC:GC−A3a,GC−A3b,GC−B3a,GC−B3b)とをそれぞれ供給する(ステップS13a)。これによりインバータ部11の3段すべてのインバータブロック12a,12b,12cが電力増幅段として動作し、インバータ出力端(DT−P,DT−N)から、図6(g)に「高」で示す、3段分の積み上げによる最大の電圧が出力される。   In the determination of the applied voltage to the gradient magnetic field coil (La) (step S13), the control unit 10 performs the process of increasing the number of inverter stages when determining the increase in inclination, and FIG. 6 (b) and FIG. 6 (c). As shown in FIG. 2, the inverter block control signal (BC-1) and the inverter block control signal (BC-2) are respectively switched on, and the switch means 13 (1) and the switch means 13 (2) are respectively switched on. Further, in synchronization with this switch-on timing, as shown in FIGS. 6D to 6F, switching control signals (GC: GC-A1a, GC-A1b, GC-B1a, GC-) to the inverter block 12a. B1b) and switching control signals (GC: GC-A2a, GC-A2b, GC-B2a) to the inverter block 12b GC-B2b) and switching control signals to the inverter block 12c (GC: GC-A3a, supplies GC-A3b, GC-B3a, GC-B3b) and respectively (step S13a). As a result, all three inverter blocks 12a, 12b, 12c of the inverter unit 11 operate as power amplification stages, and are indicated by “high” in FIG. 6 (g) from the inverter output terminals (DT-P, DT-N). The maximum voltage obtained by stacking three stages is output.

その後、上記傾斜磁場コイル(La)への印加電圧の判定(ステップS13)において、上記傾きの大きさが閾値の範囲となり、傾き減少と判定すると、図6(b)および同図(c)に示すように、インバータブロック制御信号(BC−1)およびインバータブロック制御信号(BC−2)をそれぞれスイッチオフレベルにして、スイッチ手段13(1)およびスイッチ手段13(2)をそれぞれスイッチオフにし、さらにこのスイッチオフタイミングに同期して、図6(d)〜(f)に示すように、インバータブロック12bへのスイッチング制御信号(GC:GC−A2a,GC−A2b,GC−B2a,GC−B2b)、およびインバータブロック12cへのスイッチング制御信号(GC:GC−A3a,GC−A3b,GC−B3a,GC−B3b)の供給をそれぞれ停止する(ステップS13b)。これによりインバータブロック12b,12cがともに、積まれた段から切り離されて、インバータ出力端(DT−P,DT−N)から、図6(g)に「低」で示す、1段分(最上段)のみによる最小の電圧が出力される。   Thereafter, in the determination of the voltage applied to the gradient magnetic field coil (La) (step S13), if the magnitude of the inclination falls within the threshold range and it is determined that the inclination is reduced, the results shown in FIGS. 6B and 6C are obtained. As shown, the inverter block control signal (BC-1) and the inverter block control signal (BC-2) are set to the switch-off level, the switch means 13 (1) and the switch means 13 (2) are turned off, Further, in synchronization with the switch-off timing, as shown in FIGS. 6D to 6F, switching control signals (GC: GC-A2a, GC-A2b, GC-B2a, GC-B2b) to the inverter block 12b are used. ) And switching control signals (GC: GC-A3a, GC-A3b, GC-B3a) to the inverter block 12c GC-B3b) stops supplying the respective (step S13b). As a result, the inverter blocks 12b and 12c are both separated from the stacked stage, and the inverter output terminals (DT-P and DT-N) are separated from the inverter output terminals (DT-P and DT-N) by one stage (maximum) shown in FIG. The minimum voltage from only the upper stage is output.

その後、上記傾斜磁場コイル(La)への印加電圧の判定(ステップS13)において、傾き増加と判定すると、図6(b)および同図(c)に示すように、インバータブロック制御信号(BC−1)およびインバータブロック制御信号(BC−2)のうち、インバータブロック制御信号(BC−1)のみをスイッチオンレベルにして、スイッチ手段13(1)をスイッチオンにし、さらにこのスイッチオンタイミングに同期して、図6(d)〜(f)に示すように、インバータブロック12bへのスイッチング制御信号(GC:GC−A2a,GC−A2b,GC−B2a,GC−B2b)の供給を再開する(ステップS13a)。これにより、インバータ部11は、最下段となる第3段目のインバータブロック12cが切り離されたインバータブロック12a,12bによる2段分の増幅段構成となり、インバータ出力端(DT−P,DT−N)から、図6(g)に「中」で示す、2段分の積み上げによる電圧が出力される。   Thereafter, in the determination of the applied voltage to the gradient magnetic field coil (La) (step S13), when it is determined that the inclination is increased, as shown in FIG. 6B and FIG. 6C, the inverter block control signal (BC− 1) Of the inverter block control signal (BC-2), only the inverter block control signal (BC-1) is set to the switch-on level, the switch means 13 (1) is switched on, and further synchronized with this switch-on timing. Then, as shown in FIGS. 6D to 6F, the supply of the switching control signals (GC: GC-A2a, GC-A2b, GC-B2a, GC-B2b) to the inverter block 12b is resumed ( Step S13a). As a result, the inverter unit 11 has an amplification stage configuration of two stages by the inverter blocks 12a and 12b from which the third-stage inverter block 12c that is the lowest stage is separated, and the inverter output terminals (DT-P and DT-N). From FIG. 6 (g), a voltage obtained by stacking two stages is output.

上記した実施形態によれば、MRIシステムにおいて求められる傾斜磁場コイル電流波形生成に必要な電圧に応じ、インバータブロックを動的に起動/停止制御することが可能となり、これによりインバータ部のスイッチングロスを必要最小限に抑えることができる。   According to the embodiment described above, it is possible to dynamically start / stop the inverter block according to the voltage required for the gradient magnetic field coil current waveform generation required in the MRI system, thereby reducing the switching loss of the inverter unit. It can be minimized.

また、構築するMRIシステムの性能要求に応じ、汎用回路を基本にモジュール化した単一構成のインバータブロックを積み上げることで、所望の応答性能を容易に得ることができることから、無駄な電力消費を排除した経済性に優れたMRIシステムを短期かつ容易に構築することができ、システムコストの低減化を図ることができる。   In addition, according to the performance requirements of the MRI system to be built, it is possible to easily obtain the desired response performance by stacking inverter blocks with a single configuration based on general-purpose circuits, eliminating unnecessary power consumption. Thus, it is possible to construct an MRI system with excellent economic efficiency in a short period of time and to reduce the system cost.

なお、上記した実施形態は、例として提示したもので、発明の範囲を限定することは意図していない。提示した実施形態はその他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。   The above-described embodiments are presented as examples, and are not intended to limit the scope of the invention. The presented embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention.

1…傾斜磁場電源装置(G−AMP)、4…ホスト機器、10…制御部、11…インバータ部、12(12a,12b,…,12n)…インバータブロック、13(13(1),13(2))…スイッチ手段、DT−P,DT−N…インバータ出力端、La…傾斜磁場コイル(Gコイル)。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Gradient magnetic field power supply device (G-AMP), 4 ... Host apparatus, 10 ... Control part, 11 ... Inverter part, 12 (12a, 12b, ..., 12n) ... Inverter block, 13 (13 (1), 13 ( 2)) ... switch means, DT-P, DT-N ... inverter output terminal, La ... gradient magnetic field coil (G coil).

Claims (5)

多段に構成されたインバータブロックを有するインバータ部と、前記インバータブロックを制御して前記インバータ部から傾斜磁場コイルに供給する電圧を出力する制御部とを具備した傾斜磁場電源装置において、
前記インバータ部は、
前記傾斜磁場コイルに供給する電圧を出力する電源出力端間において、前記多段に構成されたインバータブロックから所定のブロックを一定の順序で切り離し可能に切替接続するスイッチ手段を具備し、
前記制御部は、
目標とする傾斜磁場コイル電流波形の傾きをもとに単位時間あたりの傾きの増減判定を行い、当該増減判定に従い、前記スイッチ手段を制御して、インバータ段数の切替接続を実施し、切り離したインバータブロックへのスイッチング制御信号の供給を停止する処理手段を具備した
ことを特徴とする傾斜磁場電源装置。
In a gradient magnetic field power supply apparatus comprising an inverter unit having an inverter block configured in multiple stages, and a control unit that controls the inverter block and outputs a voltage supplied from the inverter unit to a gradient coil.
The inverter unit is
Between power supply output terminals for outputting a voltage to be supplied to the gradient magnetic field coil, comprising switch means for switching connection so that a predetermined block can be disconnected in a predetermined order from the multi-stage inverter block,
The controller is
Based on the gradient of the target gradient magnetic field coil current waveform, the inclination per unit time is determined to increase / decrease, and according to the increase / decrease determination, the switch means is controlled to perform the switching connection of the number of inverter stages, and the disconnected inverter A gradient magnetic field power supply apparatus comprising processing means for stopping supply of a switching control signal to a block.
前記制御部の前記処理手段は、前記傾きの増減判定において、目標値の傾きが予め設定された閾値に応じ前記インバータ部の構成を増減する、前記インバータブロックの接続及び切り離し処理を実施することを特徴とする請求項1に記載の傾斜磁場電源装置。   The processing means of the control unit implements connection and disconnection processing of the inverter block, wherein the inclination of the target value increases or decreases the configuration of the inverter unit according to a preset threshold in the inclination increase / decrease determination. The gradient magnetic field power supply device according to claim 1, wherein 前記多段に構成されたインバータブロックは、それぞれ単一の回路モジュールにより構成されていることを特徴とする請求項1に記載の傾斜磁場電源装置。   The gradient magnetic field power supply device according to claim 1, wherein each of the inverter blocks configured in multiple stages is configured by a single circuit module. 前記制御部の前記処理手段は、前記多段に構成されたインバータブロックを、高い応答性が求められる前記傾斜磁場コイルの電流波形の傾きが大きい時は、全段積み上げ最大の電圧を出力する事で応答性を向上し、高い応答性が求められない前記傾斜磁場コイルの電流波形の傾きが小さい時は、積み上げる段数を減少させスイッチング損失を低減させる処理を実施することを特徴とする請求項1に記載の傾斜磁場電源装置。   The processing means of the control unit is configured to output the maximum voltage of all the stacked stages of the inverter blocks configured in multiple stages when the gradient of the current waveform of the gradient magnetic field coil that requires high responsiveness is large. 2. The process according to claim 1, wherein when the gradient of the current waveform of the gradient magnetic field coil that improves responsiveness and high responsiveness is not required is small, the number of stages to be stacked is reduced to reduce switching loss. The gradient magnetic field power supply device described. 多段に構成されたインバータブロックを有するインバータ部を制御して前記インバータ部から出力された電圧を傾斜磁場コイルに供給する制御装置としてコンピュータを機能させるための傾斜磁場電源供給制御プログラムであって、
目標とする傾斜磁場コイル電流波形の傾きをもとに単位時間あたりの傾きの増減判定を実施する機能と、
前記傾きが予め設定された閾値の範囲を超えて増加している状態を判定したとき、前記インバータブロックを多段に積み上げる機能と、
前記傾きが閾値の範囲内になった状態を判定したとき、前記インバータブロックを要求される応答性の実現上最低限必要な段数に切り替える機能と、
前記傾きが予め設定された閾値の範囲を超えて減少している状態を判定したとき、前記インバータブロックを積み上げ段数を減少させる機能と、
をコンピュータに実現させるための傾斜磁場電源供給制御プログラム。
A gradient magnetic field power supply control program for causing a computer to function as a control device that controls an inverter unit having a multi-stage inverter block and supplies a voltage output from the inverter unit to a gradient coil,
A function that performs increase / decrease determination of the gradient per unit time based on the gradient of the target gradient magnetic field coil current waveform,
A function of stacking the inverter blocks in multiple stages when it is determined that the slope is increasing beyond a preset threshold range;
A function of switching the inverter block to the minimum number of stages required to achieve the required responsiveness when determining a state in which the slope is within a threshold range;
A function of reducing the number of stacked stages of the inverter block when determining a state in which the slope is decreasing beyond a preset threshold range;
Gradient magnetic field power supply control program for realizing computer.
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